JP5965912B2 - Power semiconductor module, power conversion device and electric vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換用のパワー半導体モジュール、そのパワー半導体モジュールを備えた電力変換装置、およびその電力変換装置を搭載する電動車両に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module for power conversion, a power conversion device including the power semiconductor module, and an electric vehicle equipped with the power conversion device.
近年、パワー半導体モジュールを備える電力変換装置に対して、高出力・高密度化や小型化の要求が高まっている。パワー半導体モジュールでは、一般的に電力スイッチング用素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や電流還流用のダイオード、そのIGBTを駆動するためのドライバICなどの制御素子を備えている。 In recent years, there is an increasing demand for high output, high density, and miniaturization of power conversion devices including power semiconductor modules. A power semiconductor module generally includes control elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), current return diodes, and driver ICs for driving the IGBTs as power switching elements.
例えば、特許文献1に記載されている電力変換装置は、リード端子が外部へ引き出された状態でパワー半導体を搭載したパワー回路基板を絶縁樹脂で封止したパワー回路モジュールと、パワー半導体を駆動・制御する制御回路基板を絶縁樹脂で封埋した制御回路モジュールとを備えている。そして、パワー回路モジュールのリード端子が制御回路モジュールの接続部に接続された状態で機械的に一体化され、パワー回路モジュールと制御回路モジュールとをワイヤで接続している。
For example, the power conversion device described in
電力変換装置の小型化を図るためには、ドライブ回路などの制御回路をモジュールと一体化し、内蔵集積化のキー技術が必須となっている。そのため、特許文献2に記載の発明では、電力用素子(パワー半導体)の信号部と制御用素子の信号部とをフリップチップ接続して積層化したパワーモジュールが記載されている。このように、制御回路基板の制御素子をパワーモジュールに一体配置することで、電力変換装置の小型化を図るようにしている。
In order to reduce the size of the power conversion device, it is essential to integrate a control circuit such as a drive circuit with the module and incorporate a key technology for built-in integration. Therefore, the invention described in
しかしながら、特許文献2に記載の制御用素子が一体化されたパワー半導体モジュールでは、制御用素子と電力用素子とが直接接触しているため、電力用素子の発熱がそのまま制御用素子に伝わり、制御用素子の信頼性低下を招くという問題があった。
However, in the power semiconductor module in which the control element described in
本発明の第1の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、制御素子が実装され、制御信号を出力するための第1の制御信号端子が形成された第1の回路基板と、離間して配置されたスイッチング素子と第1の回路基板との間に設けられ、スイッチング素子に形成された第2の制御信号端子と第1の制御信号端子とを接続する接続部材と、スイッチング素子、制御素子、第1の回路基板および接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、第1の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、制御信号の生成に必要な情報が、アンテナおよび無線通信用半導体素子を介して制御素子により取得されるように構成され、第1の回路基板は、制御素子、無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられている第1基板領域と、第1の制御信号端子が設けられている第2基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴を備えている。
本発明の第2の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第1の制御信号端子が形成された第1の回路基板と、離間して配置された前記スイッチング素子と前記第1の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された前記第2の制御信号端子と前記第1の制御信号端子とを接続する接続部材と、前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第1の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、前記第1の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、前記接続部材が、前記スイッチング素子に形成された第2の制御信号端子と前記第1の制御信号端子とを接続する配線が形成された第2の回路基板で構成されている。
本発明の第3の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、制御素子が実装され、制御信号を出力するための第1の制御信号端子が形成された第1の回路基板と、離間して配置されたスイッチング素子と第1の回路基板との間に設けられ、スイッチング素子に形成された第2の制御信号端子と第1の制御信号端子とを接続する接続部材と、スイッチング素子、制御素子、第1の回路基板および接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、第1の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、制御信号の生成に必要な情報が、アンテナおよび無線通信用半導体素子を介して制御素子により取得されるように構成され、接続部材は、第2の制御信号端子に接続される配線が形成された第2の回路基板と、配線に接続されるように第2の回路基板に固定されたコネクタとで構成され、第1の回路基板がコネクタに着脱可能に接続されている。
本発明の第4の態様によると、第1乃至3のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、前記スイッチング素子と接続されたパワー端子を備え、制御素子は、前記パワー端子の端子面と対向せず、該パワー端子と上下に重ならない位置に配置されている。
本発明の第5の態様によると、第2または3の態様のパワー半導体モジュールにおいて、第1および第2の回路基板がノイズ低減用シールドパターンを備えている。
本発明の第6の態様によると、第1乃至5のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子、第1の回路基板および接続部材が収納され、外周に放熱フィンが形成された金属ケースを備える。
本発明の第7の態様によると、電力変換装置は、第1乃至6のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールと、無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられた第1の回路基板との間で無線信号を送受信する送受信装置を有し、第1の回路基板に対して制御信号の生成に必要な情報を送信するコントローラと、を備える。
本発明の第8の態様によると、第7の態様の電力変換装置において、無線通信用半導体素子は、パワー半導体モジュールに直流電源の電圧が印加されると起動信号をコントローラへ送信し、コントローラは、起動信号を受信すると制御信号の生成に必要な情報を送信する。
本発明の第9の態様によると、第7または8の態様の電力変換装置において、パワー半導体モジュールは、スイッチング素子の温度を検出する第1の検出部およびスイッチング素子の動作状態を検出する第2の検出部を備え、第1および第2の検出部で検出された温度および動作状態が、無線通信用半導体素子によりコントローラに送信される。
本発明の第10の態様によると、電動車両は、直流電源と、車両走行用回転電機と、直流電源と車両走行用回転電機との間の電力変換を行う請求項7乃至9のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備える。
According to the first aspect of the present invention, a power semiconductor module includes a switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame, a control element that generates a control signal for driving the switching element, and the control element. And provided between the first circuit board on which the first control signal terminal for outputting the control signal is formed and the switching element and the first circuit board that are spaced apart from each other. A connecting member that connects the formed second control signal terminal and the first control signal terminal, a resin member that collectively seals the switching element, the control element, the first circuit board, and the connecting member; The first circuit board is provided with a semiconductor element for wireless communication and an antenna for performing wireless communication, and information necessary for generating a control signal is stored in the antenna and the wireless communication. The first circuit board is configured to be obtained by a control element via a semiconductor element, and includes a first substrate region in which the control element, a semiconductor element for wireless communication, and an antenna are provided, and a first control signal terminal At least one through hole is provided between the second substrate region and the second substrate region.
According to the second aspect of the present invention, a power semiconductor module includes a switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame, a control element that generates a control signal for driving the switching element, and the control element. Mounted on the first circuit board on which the first control signal terminal for outputting the control signal is formed, and provided between the switching element and the first circuit board that are spaced apart from each other. A connection member for connecting the second control signal terminal and the first control signal terminal formed on the switching element, the switching element, the control element, the first circuit board, and the connection member. A resin member that collectively seals, and the first circuit board is provided with a semiconductor element for wireless communication and an antenna for performing wireless communication, The information necessary for generating the control signal is obtained by the control element via the antenna and the semiconductor element for wireless communication, and the connection member is a second element formed on the switching element. A second circuit board is formed with wiring for connecting the control signal terminal and the first control signal terminal.
According to the third aspect of the present invention, a power semiconductor module is mounted with a switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame, a control element for generating a control signal for driving the switching element, and the control element. And provided between the first circuit board on which the first control signal terminal for outputting the control signal is formed and the switching element and the first circuit board that are spaced apart from each other. A connecting member that connects the formed second control signal terminal and the first control signal terminal, a resin member that collectively seals the switching element, the control element, the first circuit board, and the connecting member; The first circuit board is provided with a semiconductor element for wireless communication and an antenna for performing wireless communication, and information necessary for generating a control signal is stored in the antenna and the wireless communication. The connection member is configured to be obtained by the control element via the semiconductor element, and the connection member includes the second circuit board on which the wiring connected to the second control signal terminal is formed, and the second circuit board connected to the wiring. 2 and a connector fixed to the circuit board, and the first circuit board is detachably connected to the connector.
According to a fourth aspect of the present invention, in the power semiconductor module according to any one of the first to third aspects, the power semiconductor module includes a power terminal connected to the switching element, and the control element faces the terminal surface of the power terminal. The power terminal is not positioned so as to overlap the power terminal.
According to the fifth aspect of the present invention, in the power semiconductor module of the second or third aspect, the first and second circuit boards are provided with the noise reducing shield pattern.
According to the sixth aspect of the present invention, in the power semiconductor module according to any one of the first to fifth aspects, the switching element for power conversion mounted on the electrode lead frame, the first circuit board, and the connection member are accommodated. And a metal case having radiating fins formed on the outer periphery.
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a power conversion device between a power semiconductor module according to any one of the first to sixth aspects and a first circuit board provided with a wireless communication semiconductor element and an antenna. in having a transceiver for transmitting and receiving radio signals, comprising a controller for transmitting information necessary for generating the control signal to the first circuit board, the.
According to an eighth aspect of the present invention, in the power conversion device of the seventh aspect, the semiconductor element for wireless communication transmits an activation signal to the controller when the voltage of the DC power supply is applied to the power semiconductor module, , and it transmits information required to generate the control signal receives the activation signal.
According to a ninth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the seventh or eighth aspect, the power semiconductor module includes a first detection unit that detects the temperature of the switching element and a second that detects the operating state of the switching element. The temperature and the operating state detected by the first and second detection units are transmitted to the controller by the wireless communication semiconductor element.
According to a tenth aspect of the present invention, the electric vehicle performs a power conversion between the DC power source, the vehicle running rotating electrical machine, and the DC power source and the vehicle running rotating electrical machine. The power conversion device described in the paragraph.
本発明によれば、パワー半導体モジュールに設けられた制御素子への熱影響が低減され、制御素子の信頼性向上を図ることができる。 According to the present invention, the thermal influence on the control element provided in the power semiconductor module is reduced, and the reliability of the control element can be improved.
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第1の実施の形態−
図1は、本実施の形態の電力変換装置をエンジンとモータの両方を使用して走行するハイブリット自動車(以下HEVと称す)システムに適用した場合の一例を示す図であり、HEVシステムの概略構成を示すブロック図である。なお、本発明に係る電力変換装置はハイブリッド自動車のみならず、モータのみで走行する電気自動車(以下EVと称す)にも適用可能であり、また一般産業機械に使用されているモータを駆動するための電力変換装置としても使用可能である。Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
-First embodiment-
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a case where the power conversion device of the present embodiment is applied to a hybrid vehicle (hereinafter referred to as HEV) system that travels using both an engine and a motor, and a schematic configuration of the HEV system FIG. The power conversion device according to the present invention can be applied not only to a hybrid vehicle but also to an electric vehicle (hereinafter referred to as EV) that runs only by a motor, and drives a motor used in general industrial machines. It can also be used as a power converter.
図1に示したHEVシステムでは、エンジン(ENG)35及びモータジェネレータ(MG)30は車両の走行用トルクを発生する。またモータジェネレータ30は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータ30に外部から加えられる機械エネルギを電力に変換する機能を有する。
In the HEV system shown in FIG. 1, the engine (ENG) 35 and the motor generator (MG) 30 generate vehicle running torque. The
モータジェネレータ30は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述の通り、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータ30を自動車に搭載する場合に、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジム(Nd)などの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また永久磁石型の同期電動機は、誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として好適である。
The
エンジン35の出力側の出力トルクは、動力分配機構(TSM)34を介してモータジェネレータ30に伝達される。動力分配機構34からの回転トルクあるいはモータジェネレータ30が発生する回転トルクは、トランスミッション33およびディファレンシャルギア37を介して車輪32に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータ30に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は電力変換装置31により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリシステム36を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。
The output torque on the output side of the
図2は、電力変換装置31の概略構成を示す図である。図1のバッテリシステム36には高圧電源であるバッテリ136が設けられており、電力変換装置31は、バッテリ136からの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ30を駆動する。バッテリ136の正極ラインPと負極ラインNとの間には、モータジェネレータ30のU相、V相およびW相に対応して3つのパワー半導体モジュール14(14(U)、14(V)、14(W))が設けられている。各パワー半導体モジュール14(U)、14(V)、14(W)は同一構成となっている。また、パワー半導体モジュール14とバッテリ136との間には平滑化コンデンサ26が並列接続されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
パワー半導体モジュール14は、2つのパワー半導体であるIGBT21A,21Bを直列接続したものであり、IGBT21Aにはダイオード22Aが並列接続され、IGBT21Bにはダイオード22Bが並列接続されている。これらのダイオード22A,22Bにより電流の還流を行う。IGBT21AとIGBT21Bとの接続点には交流端子17が接続されている。パワー半導体モジュール14(U)の交流端子17はモータジェネレータ30のU相に接続され、パワー半導体モジュール14(V) の交流端子17はモータジェネレータ30のV相に接続され、パワー半導体モジュール14(W)の交流端子17はモータジェネレータ30のW相に接続される。
The
なお、スイッチング用のパワー半導体素子としては、IGBTの他に金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ(MOSFET)を用いても良い。MOSFETを用いる場合にはダイオード22A,22Bは不要となる。IGBTは直流電圧が比較的高い場合に適していて、MOSFETは直流電圧が比較的低い場合に適している。
As the power semiconductor element for switching, a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) may be used in addition to the IGBT. When the MOSFET is used, the
パワー半導体モジュール14には、IGBT21A,21Bの各ゲート端子へ駆動信号を出力する駆動回路3が設けられている。駆動回路3は、コントローラ29からの指令に基づく駆動パルスをIGBT21A,21Bの各ゲート端子に入力し、IGBT21A,21Bのオンオフ動作を行わせる。駆動回路3は、IGBT21A,21Bのエミッタ電流を計測し、過電流検知も行っている。過電流が検知された場合には対応するIGBT21A,21Bのスイッチング動作を停止させるようにする。また、図示していないが、パワー半導体モジュール14には過温度を検知するための温度センサも設けられている。なお、駆動回路3は、バッテリ136を電源として動作する。
The
コントローラ29と各パワー半導体モジュール14(U)、14(V)、14(W)に設けられている駆動回路3との信号の授受は、無線通信によって行われている。すなわち、コントローラ29および各駆動回路3は無線通信機能を備えており、駆動回路3のアンテナ2とコントローラ29のアンテナ27との間で信号の送受が行われる。例えば、上述したセンシング情報(エミッタ電流情報、温度情報)は、無線通信により各駆動回路3からコントローラ29へ送信される。コントローラ29には、低圧電源28から電力が供給される。
Transfer of signals between the
コントローラ29には、目標トルク値や回転指令などのモータジェネレータ30を駆動するための指令が上位コントローラ37から入力される。また、コントローラ29には、電流センサ24で検出されたモータジェネレータ30に供給される電流値や、モータジェネレータ30に設けられた不図示の回転検出器(例えば、レゾルバ)からの回転位置信号などが入力される。
A command for driving the
図3は、パワー半導体モジュール14の回路構成を示す回路図である。図2に示した駆動回路3には、IGBT21のON、OFFを行うドライバIC25と、無線通信IC24と、補助電源回路23とが設けられている。駆動回路3は、無線通信IC24およびアンテナ2によりコントローラ29と無線で信号のやり取りを行う。補助電源回路23は、無線通信IC24およびドライバIC25の電源は補助電源回路23により高電圧から低電圧へ変換している。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the
直流負極端子15および直流正極端子16の間に一定値以上の高電圧が掛かると補助電源回路23が起動する。その結果、無線通信IC24およびドライバIC25の電源が確保され、無線通信IC24がアンテナ2によりコントローラ29に起動信号を発する。コントローラ29からはPWM信号が無線で送られ、そのPWM信号によりドライバIC25が駆動される。
When a high voltage higher than a certain value is applied between the DC
次に、図4〜9を用いて、パワー半導体モジュール14の詳細構造を説明する。図4は、本実施の形態のパワー半導体モジュール14の外観図である。図5は、図4のA−A断面図である。図3に示した各電子部品は、図4に示すような形状のCAN型冷却器であるモジュールケース140内に収納されている。
Next, the detailed structure of the
ここで、CAN型冷却器とは、図5に示すように、一面に挿入口140aと他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース140は、電気伝導性を有する部材、例えばCu、Cu合金、Cu−C、Cu−CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al−Cなどの複合材などから形成されている。また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより、つなぎ目の無い状態でケース状に一体成形されている。
Here, the CAN-type cooler is a tubular cooler having an
モジュールケース140は、挿入口140a以外に開口を設けない扁平状のケースであり、扁平状ケースの挿入口140aにはフランジ141が設けられている。扁平状ケースの面積の広い対向する2つの面の一方には放熱部142Aが設けられ、他方の面には放熱部142Bが設けられている。放熱部142A、142Bはモジュールケース140の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数の放熱フィン143が形成されている。放熱部142A、142Bを囲む周囲の面は、厚さが極端に薄く容易に塑性変形可能な薄肉部144となっている。
The
図5に示すように、図3に示した各電子部品は樹脂部材6aによりトランスファーモールドされて一体となったパワー半導体モジュール構造体14Aとされ、そのパワー半導体モジュール構造体14Aがモジュールケース140内に収納されている。
As shown in FIG. 5, each electronic component shown in FIG. 3 is a power
まず、図6,7を用いてパワー半導体モジュール構造体14Aの構成を説明する。図6はパワー半導体モジュール構造体14Aの分解斜視図であり、図7はパワー半導体モジュール構造体14Aの回路図である。図6,7に示すように、パワー半導体モジュール構造体14Aには、パワー半導体モジュール14を構成する電子部品であるIGBT21A,21B、ダイオード22A,22Bと、それらを接続するためのリードフレーム315,316,318,319が設けられている。なお、図6では、トランスファーモールドの図示を省略した。
First, the configuration of the power
直流正極端子16が形成されたリードフレーム315と交流端子17が形成されたリードフレーム316と、は略同一平面状に配置される。IGBT21A,21Bは、半導体チップの一方の面にコレクタ電極が形成され、他方の面にエミッタ電極とゲート電極が配置されている。211はゲート電極の端子である。また、ダイオード22A,22Bに関しても、半導体チップの一方の面にカソード電極が形成され、他方の面にアノード電極が形成されている。
The
リードフレーム315には、IGBT21Aのコレクタ電極とダイオード22Aのカソード電極とが金属接合体であるハンダ160により固着される。一方、リードフレーム316には、IGBT21Bのコレクタ電極とダイオード22Bのカソード電極とが、金属接合体であるハンダ160により固着される。金属接合体は、錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペーストを用いることもできる。
The collector electrode of the
IGBT21A,ダイオード22Aを挟んでリードフレーム315と反対側に配置されたリードフレーム318には、IGBT21Aのエミッタ電極とダイオード22Aのアノード電極とがハンダ160により固着される。一方、リードフレーム319には、IGBT21Bのエミッタ電極とダイオード22Bのアノード電極とがハンダ160により固着される。リードフレーム318,319は略同一平面状に配置される。リードフレーム316とリードフレーム318とは、中間電極329により接続されている。なお、図7の212はエミッタ電流検出用の端子である。
The emitter electrode of the
図5に示す断面(図4のA−A断面)は、図6のリードフレーム315,318の部分を断面したものである。図5に示すように、リードフレーム315,318の間の隙間は樹脂部材6aによってトランスファーモールドされ、一体のパワー半導体モジュール構造体14Aが形成されている。リードフレーム315,318の外側の面は樹脂部材6aから露出しており、リードフレーム315,318と放熱部142A、142Bとの隙間には絶縁シート11が配設されている。モジュールケース140内に収納されたパワー半導体モジュール構造体14Aとモジュールケース140との隙間には樹脂部材6bが充填されている。
The cross section shown in FIG. 5 (AA cross section in FIG. 4) is a cross section of the lead frames 315 and 318 in FIG. As shown in FIG. 5, the gap between the lead frames 315 and 318 is transfer molded by the
なお、パワー半導体モジュール構造体14Aをモジュールケース140内に収納する際には、パワー半導体モジュール構造体14Aの両面に絶縁シート11を予め貼り付けた状態で挿入する。そして、モジュールケース140の放熱部142A、142Bをケース内側方向に加圧して、放熱部142A、142Bの内周面を絶縁シート11を介してリードフレーム315,318に密着させる。そのため、薄肉部144を極端に薄くすることで、加圧時に容易に変形することができる。
When the power
駆動回路3に設けられている補助電源回路23、無線通信IC24およびドライバIC25は回路基板1上に実装されている、回路基板1上のドライバIC25は、中継基板4を介してIGBT21A,21Bのゲート電極の端子211に接続されている。パワー端子である前記端子15〜17は板状の金属部材であり、電流が流れることにより発熱する。補助電源回路23、無線通信IC24およびドライバIC25は、スイッチング素子と接続されているこれらパワー端子とは、図8に示すように上下に重ならない位置に配置されている。このように、補助電源回路23、無線通信IC24およびドライバIC25を端子15〜17の幅広の面である端子面と対向しない位置に配置することにより、端子15〜17から受ける熱の影響を低減することができる。回路基板1内には上述したアンテナ2が形成されている。アンテナ2は、例えば銅パターンで形成され、無線通信IC24に接続されている。なお、アンテナ2を回路基板1の表面に形成するようにしても良い。
The auxiliary
端子15〜17および回路基板1の一部は、モジュールケース140のフランジ141から図示上方に突出している。この突出している部分は、熱可塑性樹脂で形成された端子ブロック600により一体に固定され、各端子間の絶縁が確保されている。この端子ブロック600に用いる樹脂材料としては、トランスファーモールドの金型温度以上(例えば、180℃以上)の耐熱性と絶縁性とを有する熱可塑性樹脂が適しており、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)や液晶ポリマー(LCP)等が用いられる。
The
図8、9は回路基板1および中継基板4の構造を説明する図である。図8は、図5のB−B断面を示す図である。図9は、図8のC−C断面図である。なお、図8では樹脂部材6a,6bの図示を省略し、図9では樹脂部材6a,6bおよびモジュールケース140の図示を省略した。
8 and 9 are diagrams illustrating the structures of the
図8に示す例では、アンテナ2はダイポールアンテナを構成している。アンテナ2は、モジュール端部から一部露出するようにしても良いし、全部露出するようにしても良い。回路基板1には貫通穴19が複数形成されている。これらの貫通穴19は、発熱の大きなIGBT21A、21Bから回路基板1への熱流入を低減するために設けられたものであり、補助電源回路23、無線通信IC24およびドライバIC25が設けられている領域と、中継基板4が接続されている領域との間に配置されている。
In the example shown in FIG. 8, the
本実施の形態では、貫通穴19も樹脂部材6aで封止されるような構成としているため、貫通穴19内に樹脂部材6aが充填されることになる。なお、貫通穴19を配線パターンを接続するためのいわゆるスルーホールとして使用する場合には、貫通穴19に金属メッキを施すようにする。もちろん、すべての貫通穴19に金属メッキを施すようにしても良い。
In the present embodiment, since the through
パワー半導体モジュール14においては、IGBT21A,21Bのスイッチング動作に伴ってスイッチングノイズが発生する。そのため、回路基板1の表裏面には、配線パターン101やアンテナ2へのノイズ混入を抑えるためのシールド材18が設けられている。同様に、中継基板4の場合も、配線パターン43へのノイズ混入を抑えるためのシールド材42が基板両面に形成されている。本実施の形態では、シールド材18,42は金属パターンで形成されている。
In the
図9に示すように、ドライバIC25は、回路基板1側の配線パターン101、端子102およびハンダバンプ7を介して中継基板4の図示右側のスルーホール41に接続される。このスルーホール41は、配線パターン43、図示左側のスルーホール41およびハンダバンプ7を介してIGBT21Aのゲート電極用端子211に接続されている。
As shown in FIG. 9, the
(1)上述のように、本実施の形態では、リードフレーム315,316,318,319に実装されたスイッチング素子であるIGBT21A,21Bと、IGBT21A,21Bを駆動するための制御信号を生成するドライバIC25と、ドライバIC25が実装され、制御信号を出力するための端子102が形成された回路基板1と、離間して配置されたIGBT21A,21Bと回路基板1との間に設けられ、IGBT21A,21Bに形成された端子211と端子102とを接続する接続部材である中継基板4と、を備えている。このような構成としたことにより、IGBT21A,21Bで発生した熱は、中継基板4および回路基板1を介して回路基板上の半導体素子(ドライバIC25等)に伝達されることのなる。その結果、中継基板4および回路基板1の熱抵抗により、ドライバIC25への熱流入量を抑えることができ、熱の影響によるドライバIC25の劣化が抑えられ、ドライバIC25およびパワー半導体モジュール14の信頼性向上を図ることができる。
(1) As described above, in this embodiment, the
中継基板4には配線パターン43が形成されており、この配線パターン43により、IGBT21A,21Bの端子211と回路基板1の端子102とが接続される。なお、回路基板1および中継基板4には、シールド用の金属パターンで形成されたシールド材18、42が設けられている。その結果、IGBT21A,21Bで発生するスイッチングノイズはシールド材18、42によって遮蔽され、配線パターン101、43へのノイズ影響が低減される。
A
(2)また、回路基板1には、無線通信を行うための無線通信IC24およびアンテナ2が設けられ、IGBT駆動用PWM信号は、無線通信によりコントローラ29からパワー半導体モジュール14へ送信される。そのため、コントローラ29には無線通信用IC24と同様のICおよびアンテナ27が設けられている。このような構成としたことにより、電力変換装置の小型化が図れる。
(2) In addition, the
図17は、本実施の形態のパワー半導体モジュール14を用いた電力変換装置200の一例を示す図である。電力変換装置200のケース201には、冷却液が流れる流路204が形成されている。図2に示したパワー半導体モジュール14(U)、14(V)、14(W)は、流路204内に配置され、冷却液によって冷却される。なお、図17ではパワー半導体モジュール14(V)の図示が省略されている。また、流路204によって囲まれた空間には、平滑化コンデンサ26が配置されている。ケース201の上部空間にはコントローラ29が実装されている制御回路基板203が配置されている。ケース201の上部開口は蓋202によって密閉されている。
FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a
一方、駆動回路3がパワー半導体モジュール14側に設けられていない従来のパワー半導体モジュール1400を用いる場合、電力変換装置200は図18に示すような構造となっている。すなわち、パワー半導体モジュール1400の上方には、図2の駆動回路3を構成する回路部品が実装される駆動回路基板205が配置され、その駆動回路基板205の上方にコントローラ29を実装した制御回路基板203が配置される。
On the other hand, when the conventional
従来のパワー半導体モジュール1400の場合、IGBT21A,21Bの端子211に接続されたゲート端子Gがモジュールケースの上方に延在するように設けられている。そして、ゲート端子Gは駆動回路基板205のスルーホールにハンダ接続され、駆動回路基板205に実装されているドライバIC25に接続される。駆動回路基板205には、各パワー半導体モジュール1400に対応したドライバIC25がそれぞれ設けられている。
In the case of the conventional
図17に示すように、本実施の形態の電力変換装置200では、駆動回路3がパワー半導体モジュール14に組み込まれているため従来のような駆動回路基板205を必要とせず、電力変換装置200の小型化を図ることができる。また、無線通信装置(無線通信IC、アンテナ)を各パワー半導体モジュール14およびコントローラ29にそれぞれ設け、IGBT21A,21Bの駆動に必要なPWM信号を無線通信によりコントローラ29から各パワー半導体モジュール14へ送信するようにしているので、ゲート端子Gを駆動回路基板205に接続する従来の構成に比べて、パワー半導体モジュール14の配置の自由度が向上し、パワー半導体モジュール14の配置を最適化することで電力変換装置200のさらなる小型化を図ることができる。
As shown in FIG. 17, in the
また、前述したように、パワー半導体モジュール14には過温度を検知するための温度センサが設けられるとともに、駆動回路3によりエミッタ電流も計測される。それらのセンシング情報(エミッタ電流情報、温度情報)は、無線通信により各駆動回路3からコントローラ29へ送信される。このように、コントローラ29は、無線通信によりパワー半導体モジュール14の状態を監視することができる。例えば、温度センサの温度が規定値以上になった場合には、コントローラ29からパワー半導体モジュール14へのPWM信号の送信を停止し、IGBT21A,21Bのスイッチング動作を停止させる。また、エミッタ電流の計測値から異常な電流がが流れたと判断した場合にも、同様にIGBT21A,21Bのスイッチング動作を停止させる。
Further, as described above, the
さらに、パワー半導体モジュール14の端子15,16にバッテリ136からの電圧が印加されると、補助電源回路23が起動し、無線通信IC24およびドライバIC25の駆動電源が確保される。無線通信IC24は電源が投入されると自動的に起動信号をアンテナ2を介して送信する。コントローラ29は、この起動信号を受信することにより駆動回路3が起動したことを確認したならば、制御信号生成に必要なPWM信号をパワー半導体モジュール14へ送信する。このように、コントローラ29はパワー半導体モジュール14が起動したことを確認してからPWM信号を送信するようにしているので、パワー半導体モジュール14の非起動時にPWM信号を発生することによる無駄な電力消費を防止することができる。
Further, when a voltage from the
(3)さらに、回路基板1には、無線通信IC24、ドライバIC25およびアンテナ2が設けられている基板領域と端子102が設けられている基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴19が設けられている。貫通穴19の部分の熱抵抗は基板材料の部分の熱抵抗よりも大きいので、貫通穴19を設けたことにより、端子102に接続されたIGBT21A,21Bから無線通信IC24、ドライバIC25およびアンテナ2が設けられている基板領域への熱流入量を、低減することができる。
(3) Further, the
(4)パワー半導体モジュールは、スイッチング素子(IGBT21A,21B)と接続されたパワー端子である端子15〜17を備え、制御素子である補助電源回路23、無線通信IC24およびドライバIC25は、端子15〜17の端子面と対向せず、端子15〜17と上下に重ならない位置に配置されている。このように、補助電源回路23、無線通信IC24およびドライバIC25を端子15〜17の幅広の面である端子面と対向しない位置に配置することにより、端子15〜17から受ける熱の影響を低減することができる。
(4) The power semiconductor module includes
上述したようにIGBT21A,21Bは樹脂部材6aによりトランスファーモールドされて一体のパワー半導体モジュール構造体14Aとされる。そして、パワー半導体モジュール構造体14Aはモジュールケース140に収納された後、モジュールケース140との隙間に樹脂部材6bが充填される。
As described above, the
(5)また、図9に示すように、回路基板1および中継基板4に金属パターンのシールド材18,42を設けたことにより、配線パターン101、43やアンテナ2へのノイズの影響を低減することができる。
(5) Further, as shown in FIG. 9, the
以下では、上述した実施形態の変形例について説明する。
(第1の変形例)
図10、11は、本実施の形態の第1の変形例を示す図である。図10,11は、パワー半導体モジュール14の回路基板1および中継基板4が設けられている部分を示す図である。図10は一部を破断面とした平面図、図11は図10のD−D断面図である。Below, the modification of embodiment mentioned above is demonstrated.
(First modification)
10 and 11 are diagrams showing a first modification of the present embodiment. 10 and 11 are diagrams showing a portion of the
上述した実施の形態では、中継基板4を介して回路基板1をIGBT21A,21Bと接続したが、第1の変形例では、中継基板4と回路基板1との間にコネクタ20を設けた点が異なる。コネクタ20は、端子ブロック600により端子15〜17と固定されている。コネクタ20は、基板保持具20aが設けられている端部が端子ブロック600からケース外に突出している。中継基板4は、コネクタ20のケース内側の端部に接続される。回路基板1は、基板保持具20aに装着することによりコネクタ20に接続される。回路基板1は、基板保持具20aに対して着脱可能に装着される。
In the embodiment described above, the
図10,11に示す例では、端子15〜17に対して基板面が平行となるように、回路基板1をコネクタ20の端面に装着するようにした。図12に示す他の例では、基板保持具20aをコネクタ20の側面に設け、回路基板1を端子15〜17に対して直交するように配置している。なお、図10〜12に示す例では、回路基板1の高さが高くなりすぎないように、半導体素子を基板の表裏両面に実装している。
In the example shown in FIGS. 10 and 11, the
このように、第1の変形例では、回路基板1は、配線パターン43が形成された中継基板4と中継基板4に固定されたコネクタ20とを介して、IGBT21A,21Bに接続されている。そのため、中継基板4を介して回路基板1をIGBT21A,21Bと接続する構成と比べた場合、回路基板1への熱流入をより低減することができる。また、回路基板1は、コネクタ20の基板保持具20aに対して着脱可能に装着されているので、回路基板1の交換が容易となる。そのため、例えば、回路定数を変えたい場合やドライバIC25の性能を変更したい場合に便利である。
Thus, in the first modification, the
(第2の変形例)
図13は、第2の変形例を示す図である。第2の変形例では、中継基板4を省略して、回路基板をIGBT21Aに接続した点が上述した実施の形態(図5参照)と異なる。中継基板4を省略したので、実装プロセスがより簡略化される。(Second modification)
FIG. 13 is a diagram illustrating a second modification. The second modification is different from the above-described embodiment (see FIG. 5) in that the
この場合、中継基板4を省略した分だけIGBT21Aからの熱流入が増えるが、特許文献2に記載のように半導体素子そのものをIGBT21Aに接続する構成と比べた場合、以下の点で熱流入量を抑えることができる。第2の変形例では、ドライバIC25等の素子は、回路基板1を介してIGBT21A,21Bに固定されているので、回路基板1の熱抵抗により素子への熱流入量が低減される。また、IGBT21Aとの接続部と、素子実装部との間に複数の貫通穴19を設けているので、基板の熱抵抗をさらに増加させることができる。
In this case, the heat inflow from the
上述した実施の形態では、回路基板1に設けられたアンテナ2をダイポールアンテナとしたが、種々の形式が可能であり、例えば、図14、15に示すような形式のアンテナであっても構わない。図14(a)はループアンテナであり、図14(b)はミアンダー状のダイポールアンテナであり、図15(a)はバッチアンテナである。また、図15(b)に示すアンテナ2はダイポールアンテナであるが、アンテナパターンがモジュールケース140の内部に入っている点が、図4に示すアンテナ2と異なっている。そのため、図4の場合に比べてアンテナ2の通信範囲は限定されるが、指向性を持った通信が可能である。
In the embodiment described above, the
なお、図16に示す例のように、回路基板1の内部または表面にアンテナ2を設ける代わりに、金属ピンを用いてアンテナ2を構成する。そのアンテナ2は、モジュールケース140のの端部から外部に露出している点である。この場合、アンテナ2が回路基板1の基板材によって覆われていなくても、アンテナとしての役割を充分果たすことが可能である。図16に示す例では、端子ブロック600は省略され、回路基板1を支持するためのスペーサ39を設けている。これは、樹脂部材6aでモールドするまでの間に、回路基板1とIGBT21Aとの接続部に不用意な力が掛かるのを防止するためである。
As in the example shown in FIG. 16, instead of providing the
また、図8に示した例では、円形の貫通穴19を複数形成したが、図19に示すように長穴形状の貫通穴19を形成するようにしても良い。
In the example shown in FIG. 8, a plurality of circular through
上述した実施形態では、パワー半導体モジュール構造体14Aを放熱用のモジュールケース140に収納する構成としたが、図20に示すように放熱器150を設ける構成としても良い。
In the above-described embodiment, the power
上述した各実施形態や変形例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Each of the above-described embodiments and modifications may be used alone or in combination. This is because each effect can be achieved independently or synergistically. In addition, the present invention is not limited to the above embodiment as long as the characteristics of the present invention are not impaired. Other embodiments conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.
Claims (10)
前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第1の制御信号端子が形成された第1の回路基板と、
離間して配置された前記スイッチング素子と前記第1の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第2の制御信号端子と前記第1の制御信号端子とを接続する接続部材と、
前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第1の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、
前記第1の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、
前記第1の回路基板は、前記制御素子、前記無線通信用半導体素子および前記アンテナが設けられている第1基板領域と、前記第1の制御信号端子が設けられている第2基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴を備えているパワー半導体モジュール。 A switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame;
A control element for generating a control signal for driving the switching element;
A first circuit board on which the control element is mounted and a first control signal terminal for outputting the control signal is formed;
A connecting member that is provided between the switching element and the first circuit board that are spaced apart and connects the second control signal terminal and the first control signal terminal formed on the switching element. When,
A resin member that collectively seals the switching element, the control element, the first circuit board, and the connection member;
The first circuit board is provided with a wireless communication semiconductor element and an antenna for performing wireless communication,
Information necessary for generating the control signal is configured to be acquired by the control element via the antenna and the semiconductor element for wireless communication,
The first circuit board includes a first substrate region in which the control element, the semiconductor element for wireless communication, and the antenna are provided, and a second substrate region in which the first control signal terminal is provided. A power semiconductor module having at least one through hole therebetween.
前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第1の制御信号端子が形成された第1の回路基板と、
離間して配置された前記スイッチング素子と前記第1の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第2の制御信号端子と前記第1の制御信号端子とを接続する接続部材と、
前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第1の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、
前記第1の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、
前記接続部材が、前記スイッチング素子に形成された前記第2の制御信号端子と前記第1の制御信号端子とを接続する配線が形成された第2の回路基板で構成されているパワー半導体モジュール。 A switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame;
A control element for generating a control signal for driving the switching element;
A first circuit board on which the control element is mounted and a first control signal terminal for outputting the control signal is formed;
A connecting member that is provided between the switching element and the first circuit board that are spaced apart and connects the second control signal terminal and the first control signal terminal formed on the switching element. When,
A resin member that collectively seals the switching element, the control element, the first circuit board, and the connection member;
The first circuit board is provided with a wireless communication semiconductor element and an antenna for performing wireless communication,
Information necessary for generating the control signal is configured to be acquired by the control element via the antenna and the semiconductor element for wireless communication,
The power semiconductor module, wherein the connection member is formed of a second circuit board on which wiring for connecting the second control signal terminal formed on the switching element and the first control signal terminal is formed.
前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第1の制御信号端子が形成された第1の回路基板と、
離間して配置された前記スイッチング素子と前記第1の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第2の制御信号端子と前記第1の制御信号端子とを接続する接続部材と、
前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第1の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、
前記第1の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、
前記接続部材は、前記第2の制御信号端子に接続される配線が形成された第2の回路基板と、前記配線に接続されるように前記第2の回路基板に固定されたコネクタとで構成され、
前記第1の回路基板が前記コネクタに着脱可能に接続されているパワー半導体モジュール。 A switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame;
A control element for generating a control signal for driving the switching element;
A first circuit board on which the control element is mounted and a first control signal terminal for outputting the control signal is formed;
A connecting member that is provided between the switching element and the first circuit board that are spaced apart and connects the second control signal terminal and the first control signal terminal formed on the switching element. When,
A resin member that collectively seals the switching element, the control element, the first circuit board, and the connection member;
The first circuit board is provided with a wireless communication semiconductor element and an antenna for performing wireless communication,
Information necessary for generating the control signal is configured to be acquired by the control element via the antenna and the semiconductor element for wireless communication,
The connecting member is composed of the second circuit board second wiring connected to the control signal terminals are formed, and the second circuit board to the fixed connector to be connected to the wiring And
A power semiconductor module in which the first circuit board is detachably connected to the connector.
前記スイッチング素子と接続されたパワー端子を備え、
前記制御素子は、前記パワー端子の端子面と対向せず、該パワー端子と上下に重ならない位置に配置されているパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to any one of claims 1 to 3,
A power terminal connected to the switching element;
The power semiconductor module is arranged at a position where the control element does not face the terminal surface of the power terminal and does not overlap with the power terminal.
前記第1および第2の回路基板がノイズ低減用シールドパターンを備えているパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 2 or 3 ,
A power semiconductor module in which the first and second circuit boards are provided with a noise reduction shield pattern.
前記電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子、前記第1の回路基板および前記接続部材が収納され、外周に放熱フィンが形成された金属ケースを備えたパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to any one of claims 1 to 5,
A power semiconductor module comprising a metal case in which a switching element for power conversion mounted on the electrode lead frame, the first circuit board, and the connection member are accommodated, and a radiating fin is formed on the outer periphery.
前記無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられた前記第1の回路基板との間で無線信号を送受信する送受信装置を有し、前記第1の回路基板に対して前記制御信号の生成に必要な情報を送信するコントローラと、を備える電力変換装置。 The power semiconductor module according to any one of claims 1 to 6,
A transmitter / receiver configured to transmit / receive a radio signal to / from the first circuit board provided with the semiconductor element for wireless communication and the antenna, and is necessary for generating the control signal with respect to the first circuit board; And a controller that transmits information.
前記無線通信用半導体素子は、前記パワー半導体モジュールに直流電源の電圧が印加されると起動信号を前記コントローラへ送信し、
前記コントローラは、前記起動信号を受信すると前記制御信号の生成に必要な情報を送信する電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7,
The semiconductor device for radio communication, a start signal to the voltage of the dc power is applied to the power semiconductor module and transmitted to the controller,
Wherein the controller, the power conversion apparatus for transmitting information necessary for generation of the control signal and receiving the activation signal.
前記パワー半導体モジュールは、前記スイッチング素子の温度を検出する第1の検出部および前記スイッチング素子の動作状態を検出する第2の検出部を備え、
前記第1および第2の検出部で検出された温度および動作状態が、前記無線通信用半導体素子により前記コントローラに送信される電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7 or 8,
The power semiconductor module includes a first detection unit that detects a temperature of the switching element and a second detection unit that detects an operation state of the switching element,
The power conversion device in which the temperature and the operating state detected by the first and second detection units are transmitted to the controller by the wireless communication semiconductor element.
車両走行用回転電機と、
前記直流電源と前記車両走行用回転電機との間の電力変換を行う請求項7乃至9のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備えた電動車両。
DC power supply,
A rotating electric machine for vehicle travel;
The electric vehicle provided with the power converter device as described in any one of Claims 7 thru | or 9 which performs electric power conversion between the said DC power supply and the said rotary electric machine for vehicle travel.
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